Вопрос 4.

Атмосферное давление

Всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки, т. е. действует на эти стенки с какой-то силой давления, направленной перпендикулярно (нормально) к стенке. Число¬вую величину этой силы давления, отнесенную к единице пло¬щади, и называют давлением. Давление газа объясняется дви¬жениями его молекул, той «бомбардировкой», которой они под¬вергают стенки. При возрастании температуры и при сохранении объема газа скорости молекулярных движений увеличиваются и, следовательно, давление растет.

Если мысленно выделить какой-то объем внутри атмосферы, то воз-дух в этом объеме испытывает давление извне на во¬ображаемые стенки, ограничивающие данный объем, со стороны окружающего воздуха. Со своей стороны воздух изнутри объ¬ема оказывает такое же давление на окружающий воздух.

Выделенный объем может быть сколь угодно малым и в пределе сводится к точке. Таким образом, в каждой точке атмо¬сферы имеется определенная величина атмосферного давления, или давления воздуха.

Воздух в закрытом (негерметически) помещении достаточно свободно выравнивает свое давление с наружным воздухом че¬рез поры и щели в стенах, через окна и т. д. Разница между атмосферным давлением в помещении и под открытым небом (на том же уровне), как правило, совершенно незначительна. Воздух в помещении сжат в той же мере, что и воздух на том же уровне снаружи. Поэтому на метеорологических станциях нет нужды помещать барометры под открытым небом — их устанав¬ливают внутри, помещения.

Атмосферное давление можно выразить, например, в граммах или килограммах веса на один квадратный санти¬метр или метр. На уровне моря оно близко к одному килограмму на квадратный сантиметр. В метеорологии его выра¬жают, однако, в других единицах.

С давних пор принято выражать атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба. Это значит, что давление ат¬мосферы сравнивают с эквивалентным ему давлением столба ртути. Когда говорят, например, что атмосферное давление на земной поверхности в данном месте равно 750 мм, это значит, что столб ртути высотою 750 мм давил бы на земную поверх¬ность так же, как давит воздух.

Выражение давления в миллиметрах ртутного столба по¬явилось в метеорологии не случайно. Оно связано с устройством основного прибора для измерения атмосферного давления — ртутного барометра. В этом приборе, известном из элементар¬ного курса физики, атмосферное давление как раз уравнове¬шивается давлением столба ртути; по изменениям высоты ртут¬ного столба можно судить об изменениях атмосферного давления.

Что касается сил давления, действующих на боковые стенки объема, то допустим, что в горизонтальном направлении атмо¬сферное давление не меняется. Это значит, что силы давления, действующие со всех сторон на боковые стенки, уравновешива¬ются; их равнодействующая равна нулю. Отсюда следует, что воздух в горизонтальном направлении не обладает ускорением и не перемещается.

Кроме того, воздух в рассматриваемом элементарном объеме испытывает силу тяжести, которая направлена вниз и равна ускорению силы тяжести g (ускорению свободно падающего тела), умноженному на массу воздуха во взятом объеме. Так как при поперечном сечении, равном единице, объем равен dz, то масса воздуха в нем равна ?•dz, где ? — плотность воздуха, а сила тяжести равна g?dz. Допустим, что в атмосфере суще¬ствует равновесие также и в вертикальном направлении, т. е. что взятый объем воздуха не имеет никакого ускорения также и по вертикали и, таким образом, остается на одном и том же уровне, несмотря на наличие веса. Это значит, что сила тяжести (вес) и силы давления уравновешиваются. Вниз направлены сила давления p + dp и вес g?dz; возьмем их с отрицательным знаком. Вверх направлена сила давления р, которую возьмем с положительным знаком. Сумму всех этих трех сил приравняем нулю и, таким образом,

получим: dp=-gp(ро)dz - уравнение статики.Отсюда следует, что при положительном dz имеем отрица¬тельное dp, т. е. что с высотой атмосферное давление падает. При этом разность давлений на нижней и верхней границах рассматриваемого элементарного объема равна весу воздуха в этом объеме.

Величина –dp/dz падение давления на единицу прироста высоты, т. е. вертикальный барический градиент (вертикальный градиент давления). Это равнодействующая сил давления, направленных сверху и снизу на единицу нашего объема.